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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der früheren
japanischen Patentanmeldung 2011-234304 , eingereicht am 25. Oktober 2011, der an Beschreibung durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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(Technisches Gebiet)
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Motor-Generator, wobei die Vorrichtung zum Umschalten ihres Betriebsmodus zwischen einem Erzeugungsmodus für eine elektrische Leistung als ein Generator und einem Erzeugungsmodus für mechanische Leistung als ein Motor umschaltbar ist.
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(Stand der Technik)
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Als ein einfaches Verfahren zum Erhöhen der Drehzahl bei einem bürstenlosen Motor ist beispielsweise ein Ansteuerverfahren unter Verwendung einer Schaltung, wie sie in
JP-A-2008-306914 offenbart ist, bekannt. Dieses Beispiel verwendet eine sinusförmige Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung eines Inverters, um eine sehr stabile Drehzahl (geschwindigkeit) (rotational speed) zu erzielen. Hierfür ist jedoch ein teurer Magnetpolpositionssensor erforderlich. Da außerdem alle Elemente den Schaltungen unterliegen, steigen die Schaltverluste, wodurch sich die Effizienz des Systems verringert, eine größere Kühleinheit für den Inverter erforderlich wird und außerdem ein Schutz gegen das Schaltrauschen erforderlich ist. Obgleich dieses Ansteuerverfahren für eine teure Vorrichtung verwendet werden kann, ist das Ansteuerverfahren unter Berücksichtigung der Kostenfrage nicht geeignet, um insbesondere für elektrische Komponenten in einem Leichtautomobilfahrzeug oder einem Motorrad verwendet zu werden.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausführungsform sieht eine Steuervorrichtung für einen Motor-Generator vor. Bei dieser Vorrichtung wird ein vereinfachter Magnetpolpositionssensor vorgesehen. Auch wenn dabei die Anzahl an Schaltvorgängen verringert wird, kann eine hervorragende Drehzahlkennlinie erzielt werden. Somit können ebenso die Kühlung und der Schutz gegen Rauschen vereinfacht werden.
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Gemäß einem Aspekt der Ausführungsform wird eine Steuervorrichtung für einen Motor-Generator vorgesehen, wobei die Vorrichtung enthält: einen Stator, welcher mehrere Phasenspulen bzw. Mehrphasenspulen enthält, die in Sternform verbunden sind; einen Rotor, welcher koaxial zu dem Stator mit einem in radialer Richtung vorbestimmten Spalt dazwischen angeordnet ist; einen mehrphasigen Inverter bzw. Mehrphaseninverter, von dem ein Zweig ein Schaltelement und ein Freilaufelement enthält; und eine Gleichstromleistungsversorgung, die zwischen einem Neutralpunkt der Mehrphasenspulen und einer negativen Elektrode der Gleichstromseite des Mehrphaseninverters verbunden ist. Wenn die Schaltelemente des Inverters mit einem Rechtecksignal angesteuert werden, unterliegt das Schaltelement einer niedrigen bzw. tiefen Seite bzw. Tiefenseite (low side), die mit dem Schaltelement einer hohen Seite bzw. Hochseite (high side) in Reihe verbunden ist, einer Pulsweitenmodulations-(PWM-)Schaltsteuerung, während das Schaltelement der Hochseite sich in einem AUS-Zustand befindet. Wenn ein Zeitpunkt, bei welchem das Schaltelement der Hochseite ausgeschaltet ist, als ein Basispunkt definiert wird, und falls α als eine Zeit definiert ist bei der das Schalten des Schaltelements der Tiefseite Seite beginnt, und β als eine Zeit definiert ist, bei der das Schalten endet, beträgt β – α, als elektrischer Winkel, 120 Grad oder mehr, α mehr als 0 Grad und β weniger als 180 Grad.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die beiliegende Zeichnung zeigt:
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1 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer ersten Ausführungsform zeigt;
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2 ein Diagramm eines Steuermusters, der Schaltelemente gemäß der ersten Ausführungsform;
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3A bis 3D Diagramme zum Erläutern des Betriebs der ersten Ausführungsform;
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4 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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5 ein Diagramm eines Steuermusters für Schaltelemente gemäß der zweiten Ausführungsform;
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6 ein Diagramm zum Erläutern der Vorteile der ersten und zweiten Ausführungsformen;
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7 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
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8 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
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9 ein Diagramm, das eine andere Ausführungsform zeigt;
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10 ein Diagramm zum Erläutern der Vorteile der Ausführungsformen;
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11 ein Diagramm zum Erläutern von Vorteilen der Ausführungsformen; und
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12 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Systems zeigt, das die Ausführungsformen verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt eine Konfiguration der ersten Ausführungsform. Ein Motor-Generator 1 enthält einen Stator 11 und einen Rotor 12. Der Rotor kann vom Permanentmagnettyp sein, oder aber auch ein Rotor mit Erregerwicklung oder mit einem Käfigläufer sein. Der Rotor 12 kann einen Reluktanzaufbau ohne Spule oder Magnet mit ausgeprägten Magnetpolen aufweisen.
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Der Stator 11 kann mit einer dreiphasigen Wicklung vorgesehen werden, welche in Sternform geschaltet ist. Die einen Enden der Dreiphasenwicklungen können in einem Neutralpunkt 13 verbunden sein. Die anderen Enden der Dreiphasenwicklungen sind mit einem Inverter 2 verbunden.
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Bei dem Inverter 2 bilden ein Schaltelement 21 und ein Freilaufelement 22 einen Zweig. Zwei gleiche Zweigformationen sind in Reihe verbunden. Drei dieser Reihenverbindungen sind parallel angeordnet.
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Falls das Schaltelement 21 und das Freilaufelement 22 aus einem MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) und einer parasitären Diode, die parasitär zu dem MOSFET ist, aufgebaut sind, können herkömmliche massenhaft erzeugte Universalbauteile verwendet werden. Jedoch sind das Schaltelement 21 und das Freilaufelement 22 nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Falls das Schaltelement 21 beispielsweise durch einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder einem dipolaren Transistor aufgebaut ist, und eine Freilauf- bzw. Schutzdiode als das Freilaufelement 22 verwendet wird, kann die gleiche Funktionalität erzielt werden.
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Drei Schaltelemente 21 der Hochseite sind mit einem positiven Gleichstrom-Elektrodenanschluss 23 verbunden. Drei Schaltelemente 21 der Tiefseite sind mit einem positiven Gleichstrom-Elektrodenanschluss 24 verbunden. Ein Kondensator 25 ist zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des Inverters 2 verbunden. Der Kondensator 25 kann ein Elektrolytkondensator, ein Folienkondensator oder ein elektrischer Doppelschichtkondensator sein.
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Die Schaltelemente 21 werden durch einen Controller 26 angesteuert, welcher Kontinuitätsmustersignale (continuity pattern signals) 27 erzeugt und die Signale 27 zu den Schaltelementen 21 über Übertragungsleitungen (nicht gezeigt) sendet.
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Die positive Elektrode der Gleichstromleistungsversorgung 3 ist mit dem Neutralpunkt 13 sternenförmig verbunden. Die negative Elektrode der Gleichstromleistungsversorgung 3 ist mit dem negativen Gleichstrom-Elektrodenanschluss 24 des Inverters 2 verbunden. Als Gleichstromleistungsversorgung 3 kann jede Art von Sekundärbatterie, wie beispielsweise eine Bleisäurebatterie, eine Lithiumionenbatterie oder einen Nickelhydridbatterie verwendet werden.
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Als Nächstes werden die Kontinuitätsmuster der Elemente unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
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Das Kontinuitätsgrundmuster (basic continuity pattern) ist ein sogenanntes dreiphasiges, 180-Grad Rechteckwellenmuster (three-phase 180-degree rectangular wave pattern), in welchem die Hochseiten (Hi) und Tiefseiten (Lo) ausschließlich alle 180 Grad wiederholt EIN und AUS schalten.
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Die Phasen werden dabei so gesteuert, dass sie um 120 Grad (elektrischer Winkel) zueinander verschoben sind. In diesem Fall unterliegen die Elemente der Tiefseite während der Zeitdauer, während welcher die hochseitigen Elemente im AUS-Zustand sind, d. h. die Zeitdauer von 180 Grad, die in 2 mit einem Sternchen gekennzeichnet ist, einer PWM-Schaltsteuerung. In einem Zustand, bei dem der Zeitpunkt, an welchem die hochseitigen Elemente ausgeschaltet sind, als Basispunkt definiert ist und falls α als die Zeit definiert ist, bei dem das Schalten der Tiefseite beginnt, und β als der Zeitpunkt definiert ist, bei dem das Schalten der Tiefseite endet, ist β – α gleich 120 Grad (elektrischer Winkel) oder mehr,. Zu beachten ist, dass α > 0 Grad und β < 180 Grad eingehalten wird. Falls beispielsweise β 150 Grad und α 30 Grad ist, ist β – α gleich 120 Grad.
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Als Nächstes werden Betriebsvorgänge, die während der Zeitdauer des Schaltens durchgeführt werden, unter Bezugnahme auf die 3A bis 3D erläutert. In den 3A bis 3D zeigen Elemente, welche wirksam sind, wenn die Schalter in einem EIN-Zustand sind, Transistoren, und zeigen Elemente, welche wirksam sind, wenn der Schalter im AUS-Zustand ist, Dioden.
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Wie in 3A gezeigt, ist die Gleichstromleistungsversorgung über die V-Phasenspule kurz geschlossen, wenn die Hochseite der V-Phase sich in einem AUS-Zustand befindet und die Tiefseite der V-Phase sich in einem EIN-Zustand befindet. Somit fließt ein hoher Strom durch die Spulen, wobei die magnetische Energie in der Spule gespeichert wird. Falls die Tiefseite im nächsten Moment ausgeschaltet wird, wird die gespeicherte magnetische Energie über die hochseitige Freilaufdiode der V-Phase in den Kondensator 25 geladen. Auf Grund dieses Betriebsvorgangs erhöht sich die Spannung am Kondensator 25 auf im Wesentlichen das Zweifache der Gleichstromspannung. Dieser Betriebsvorgang wird während der Zeitdauer β – α zum Laden des Kondensators 25 fortgeführt. Wie in 6 gezeigt, wird im Ergebnis die Spannung an den Kondensator 25 ununterbrochen auf ungefähr das Zweifache der Leistungsversorgungsspannung gehalten.
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Unterdessen werden die hochseitigen Transistoren der anderen Phasen eingeschaltet. Wie in den 3C und 3D gezeigt, werden somit Ströme von der U-Phase und der W-Phase zugeführt und sind Gegenstand einer Energieumwandlung in ein elektrisches Drehmoment.
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Der gesamte Betriebsvorgang wird durchgeführt, während die Phase um 180 Grad abhängig von der Position des Rotors in der Reihenfolge V-Phase → W-Phase → O-Phase geändert wird.
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Die vorhergehende Steuerung realisiert eine Funktion der Leistungsversorgungsspannungserhöhung und eine Funktion der Drehmomenterzeugung, welche einen dezidierten Boost-Converter vermeidet. Zusätzlich kann ein Temperaturanstieg, eine Verringerung der Effizienz auf Grund von Schaltverlusten, die durch das Stoppen der Schaltung der Hochseite bewirkt wird, sowie eine Erhöhung des Rauschstroms bzw. der Rauscheinstreuung unterdrückt werden. 11 zeigt die Tatsache, wonach der Schaltverlust der vorliegenden Ausführungsform verglichen der herkömmlichen Steuerung deutlich verringert ist. Die Schaltverluste der vorliegenden Ausführungsform betragen ungefähr ein 1/3 der Schaltverluste der herkömmlichen Steuerung.
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Da außerdem die vorhergehende Steuerung auf einem Signal mit 180 Grad Rechteckwellenleitung (Signal) basiert, ist es nicht notwendig die Magnetpolpositionen genau zu erfassen. Da somit ein einfacher Positionsdetektor oder eine bekannte sensorlose Steuerung verwendet werden kann, wird hierdurch eine weitere Vereinfach erzielt.
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Zu beachten ist dabei, dass die grundlegende Rechteckwellenleitung nicht auf 180 Grad beschränkt ist. Die Zeitdauer der Leitung kann in einem Bereich zwischen 120 und 180 Grad beliebig bestimmt werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Bei der zweiten Ausführungsform ist die positive Elektrode der Gleichstromleistungsversorgung 3 mit dem positiven Gleichstrom-Elektrodenanschluss 23 des Inverters 2 verbunden. Die negative Elektrode der Gleichstromleistungsversorgung 3 ist mit dem Neutralpunkt 13 und der Sternpunktverbindung verbunden.
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Wie in 5 gezeigt, liegt gemäß dem Steuermuster der Schalter der Hochseite der PWM-Steuerung während der Zeitdauer, während welcher der Tiefseitenschalter in einem AUS-Zustand ist. Wenn der AUS-Zeitpunkt des tiefseitigen Schalters als Startpunkt bestimmt wird, sind α und β so definiert, dass sie „β – α ≥ 120°”, „α > 0°” und „β < 180°” erfüllen.
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Die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform ist ähnlich zu der Betriebsweise, die in den 3A bis 3D gezeigt ist, bei welchen der Kondensator 25 über die tiefseitige Freilaufdiode geladen wird.
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Wie in 10 gezeigt, kann die Steuerung der obigen Ausführungsform die Antriebsdrehzahl (geschwindigkeit) auf das ungefähr zweifache erhöhen, verglichen mit der herkömmlichen Steuerung, die die Spannung nicht erhöht, obgleich dafür kein dedizierter Inverter erforderlich ist.
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(Modifikationen)
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Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Konfigurationen beschränkt ist, sondern beliebige Modifikationen, Variationen oder Äquivalente, welche der Fachmann mitliest, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fallen.
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In 7 ist der Kondensator 25 zwischen dem Neutralpunkt 13 und dem positiven Gleichstrom-Elektrodenanschluss 23 der Inverters 2 verbunden. Gemäß dieser Konfiguration, wird die Variationsbreite der Spannung am Kondensator 25 kleiner, was die Kapazität des Kondensators verringern kann. In diesem Fall wird das in 2 gezeigte Schaltmuster angewendet.
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Wie in 8 gezeigt, können die gleichen Vorteile, wie zuvor beschrieben, erzielt werden, auch wenn die Gleichstromleistungsversorgung 3 und der Kondensator 25 vertauscht werden. In diesem Fall wird das in 5 Schaltmuster angewendet.
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Wie in 9 gezeigt, kann außerdem das Tastverhältnis der PWM zusammen mit der Drehzahl (geschwindigkeit) erhöht werden. Falls der Betrieb in einen elektrischen Leistungserzeugungsmodus verschoben wird, wenn die Drehzahlgeschwindigkeit) eine vorbestimmte Drehzahlgeschwindigkeit) oder mehr beträgt, bei welchen das Tastverhältnis 100% wird, kann der Ruck bzw. Schock verringert werden, welcher verursacht wird, wenn der Betrieb von einem mechanischem Leistungserzeugungsmodus zu einem elektrischen Leistungserzeugungsmodus gewechselt wird. Zu beachten ist, dass das Tastverhältnis beliebig eingestellt werden kann, wenn die Drehzahlgeschwindigkeit) 0 wird. Die Rate des Erhöhens des Tastverhältnisses, welches sich mit erhöhender Drehzahl (geschwindigkeit) erhöht, muss eben so nicht konstant sein, sondern kann wie benötigt eingestellt werden.
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Wie in 12 gezeigt ist, kann der Motor-Generator 1 des Weiteren in einer internen Verbrennungsmaschine 4 eines Automobils oder eines Motorrads installiert werden, wobei die Steuerung einer der vorhergehenden Ausführungsformen angewendet wird. Für diesen Fall, kann ein spannungssteigernder Elektromotorantrieb angewendet werden, wenn die interne Verbrennungsmaschine 4 aktiviert ist. Somit kann die Drehzahl (geschwindigkeit) des Motor-Generators 1 erhöht werden, während die Zeitdauer, die für das Starten der internen Verbrennungsmaschine 4 erforderlich ist, signifikant verringert werden kann. Somit kann eine Beunruhigung bzw. ein Unbehagen des Fahrers beseitigt werden, wenn die interne Verbrennungsmaschine 4 nach einem Leerlaufstop wieder startet.
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Im Folgenden werden die Aspekte der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zusammengefasst.
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Gemäß einem Aspekt der Ausführungsform, wird eine Steuervorrichtung für einen Motor-Generator vorgesehen, wobei die Vorrichtung enthält: einen Stator, welcher mehrere Phasenspulen bzw. Mehrphasenspulen umfasst, die sternförmig verbunden sind; einen Rotor, welcher koaxial zu dem Stator und in radialer Richtung mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen angeordnet ist; einen mehrphasigen Inverter bzw.
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Mehrphaseninverter, von dem ein Zweig ein Schaltelement und ein Freilaufelement enthält; sowie eine Gleichstromleistungsversorgung, welche zwischen einem Neutralpunkt der mehreren Phasenspulen und eine negativen Gleichstromelektrode des mehrphasigen Inverters verbunden ist. Wenn die Schaltelemente des Inverters mit einem Rechteckwellenmustersignal angesteuert werden, unterliegt das Schaltelement einer Tiefseite, die mit dem Schaltelement einer Hochseite in Reihe verbunden ist, einer PWM-Schaltsteuerung, während das Schaltelement der Hochseite sich im AUS-Zustand befindet. Wenn ein Zeitpunkt, bei welchem das Schaltelement der Hochseite ausgeschaltet ist, als Basispunkt definiert ist, und falls α als eine Zeit definiert ist, bei der das Schalten des Schaltelements der Tiefseite beginnt, und β als eine Zeit definiert ist, bei der das Schalten endet, beträgt β – α 120 Grad oder mehr (elektrischer Winkel), α mehr als 0 Grad und β weniger als 180 Grad.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Ausführungsform, wird eine Steuervorrichtung für einen Motor-Generator vorgesehen, wobei die Motorvorrichtung enthält: einen Stator, welcher mehrere Phasenspulen bzw. mehrere Phasenspulen enthält, die sternförmig verbunden sind; einen Rotor, welcher koaxial zu dem Stator ist und in radialer Richtung mit einem vorbestimmten dazwischen Spalt angeordnet ist; einen mehrphasigen Inverter bzw. Mehrphaseninverter, bei dem jeder Zweig ein Schaltelement und ein Freilaufelement enthält; sowie eine Gleichstromleistungsversorgung, welche zwischen einem Neutralpunkt der mehrphasigen Spulen und einer positiven Gleichstromelektrode des mehrphasigen Inverters verbunden ist. Wenn die Schaltelemente des Inverters durch ein Rechteckwellenmustersignal angesteuert werden, unterliegt das Schaltelement einer Hochseite, das mit dem Schaltelement einer Tiefseite in Reihe verbunden ist, einer PWM-Schaltsteuerung, während das Schaltelement der Tiefseite sich in einem AUS-Zustand befindet. Wenn eine Zeitpunkt, bei welchem das Schaltelement der Tiefseite ausgeschaltet ist, als ein Basispunkt definiert ist, und falls α als eine Zeit definiert ist, bei der das Schalten des Schaltelements der Hochseite beginnt, und β als eine Zeit definiert ist, bei der das Schalten endet, beträgt β – α 120 Grad oder mehr (als elektrischer Winkel), α mehr als 0 Grad und β weniger als 180 Grad.
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Gemäß der Vorrichtung kann die Anzahl an Schaltseiten der Elemente verringert werden. Dadurch kann die Effizienz auf Grund von Schaltverlusten, die Temperaturerhöhung und die Erhöhung beim Rauschstrom unterdrückt werden.
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Da außerdem ein erweiterter Betrieb, wie etwa eine sinusförmige PWM-Steuerung, nicht erforderlich ist, kann eine minderwertige bzw. leistungsschwache und damit billige CPU verwendet werden.
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Bei der Vorrichtung beträgt die Leitungszeitdauer des Schaltelements der Seite, bei welcher das Schaltelement nicht der PWM-Schaltsteuerung unterliegt, 180 Grad elektrischer Winkel oder weniger. Gemäß der Vorrichtung ist es nicht erforderlich die Magnetpolpositionen genau zu erfassen. Somit kann ein Positionsdetektor vereinfacht sein oder weggelassen werden, was noch ökonomischer ist.
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Bei der Vorrichtung wird ein EIN-Tastverhältnis der PWM-Schaltsteuerung vergrößert, wenn die Drehzahl (geschwindigkeit) des Motor-Generators vergrößert ist. Gemäß der Vorrichtung kann daher auch für den Fall, dass die Drehzahl (geschwindigkeit) sich ändert, eine exzellente Spannungserhöhungsfunktion vorgesehen werden.
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Bei der Vorrichtung wird der Motor-Generator in einem elektrischen Leistungserzeugungsmodus als ein Generator oder einem mechanischem Leistungserzeugungsmodus als ein Motor verwendet, wobei bei dem mechanischen Leistungserzeugungsmodus, die PWM-Schaltsteuerung angewendet wird. Gemäß der Vorrichtung können unnötige Verluste eliminiert werden, wenn elektrische Leistung erzeugt wird. Durch das Einstellen des EIN-Tastverhältnisses, wie in 9 gezeigt, kann außerdem ein Schock bzw. ein Ruck verringert werden, der beim Wechsel von einem mechanischen Leistungserzeugungsmodus zu einem elektrischen Erzeugungsmodus entsteht.
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Bei der Vorrichtung aktiviert der Motor-Generator eine interne Verbrennungsmaschine in dem mechanischen Leistungserzeugungsmodus und, nachdem die interne Verbrennungsmaschine aktiviert worden ist, wird der Motor-Generator im elektrischen Leistungserzeugungsmodus betrieben. Gemäß der Vorrichtung kann der Motor-Generator sowohl als Anlasser einer internen Verbrennungsmaschine als auch ein Generator verwendet werden, was ökonomisch weiter vorteilhaft ist.
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Bei der Vorrichtung ist ein Kondensator zwischen einem Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung, welche nicht mit den Gleichstromanschlüssen des Inverters ist, und einem der Gleichstromanschlüsse des Inverters, welcher nicht mit der Gleichstromleistungsversorgung verbunden ist, verbunden. Gemäß Vorrichtung kann die Variationsbreite der Spannung am Kondensator kleiner werden, was die Kapazität des Kondensators verringert und was somit ökonomisch vorteilhaft ist.
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Bei der Vorrichtung ist jeder Zweig des Inverters derart konfiguriert, dass er als Schaltelement einen MOSFET und als Freilaufelement eine Diode, die parasitär zu dem MOSFET des Schaltelements geschaltet ist, aufweist. Gemäß der Vorrichtung können massenhaft produzierte Universalvorrichtungen verwendet werden, was ökonomisch vorteilhaft ist, und welche exzellente Montage- und Steuerungseigenschaften aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-234304 [0001]
- JP 2008-306914 A [0003]
